专利名称：柔顺性的异形弹性波纹管的人工肌肉的制作方法
技术领域：
本发明涉及柔顺性的异形弹性波纹管的人工肌肉，此人工肌肉由流体驱 动，可用作机器人的手指、手腕、膝盖、肩肘和脚腕等关节的驱动元件、 或并联机床的驱动器，作为自动化设备的执行机构，这种柔顺性的异形弹件 波纹管的人工肌肉，具有快速敏捷的适应性、根据内外部载荷而顺应变形的 柔顺性、较大的功率/ (体积*质量)比、易弯曲的特性和一定的缓冲性，属 于机器人、机器和机床的应用技术领域。
背景技术：
本发明以前，在己有技术中，现有的弹性波纹管的人工肌肉均为圆柱形， 弹性波纹管为橡胶材料，弹性波纹管的壁内夹有起加强作用的经、纬加强丝， 经、纬加强丝编织缠绕在一起(组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节，专利申请号200510037889.1)。由于整体是圆柱形，因此有以下缺陷(1)安装在 铰链骨架上时，受到圆柱形弹性波纹管中间部分的限制，关节的弯曲角度较 小；(2)圆柱形弹性波纹管的内腔体积较大，尤其是它的整体弯曲角度需要 较多内腔流体体积增加量；(3)虽然采用了编织缠绕的经、纬加强丝，但弹 性波纹管的承载能力还不够大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，本发明的具有柔顺性的膨胀型异形弹性波纹管人工肌肉，主要内容有(1)采用左右对称的双圆锥形的异形 弹性波纹管，由于其中间部分较细，有较大的空间，使关节具有更大的弯曲 角度(见附图12);由于具有更小的弹性波纹管内腔体积，它的整体弯曲角 度的增加仅需要较少内腔流体体积增加量；相同的材质和壁厚时，细的中间 部分可承载更大的内腔压力。(2)有从圆形到椭圆形，从小的椭圆长、短径比，到大的椭圆长、短径比的不同的环箍，这些环箍安装在弹性波纹管的不同直径的波谷圆处，提高弹性波纹管的承载能力。(3)在双圆锥形的基础上， 在许用承载能力(内腔流体压力)条件下，椭圆形的环箍是刚性的、保持不变形；越是中间部分的波谷圆，被相同周长的椭圆形的环箍限制得越扁(内 腔未加压流体时，椭圆形的环箍在波谷圆部位正好贴合，限制弹性波纹管的 波谷圆成椭圆形。)，这进一步减小了异形弹性波纹管在关节弯曲方向的尺寸， 进一步增加了关节的弯曲角度。(4)有圆形、椭圆形、V形、半环形和U形 五种截面形状的环箍。本发明的主要解决方案是这样实现的采用左右对称的双圆锥形的异形弹性波纹管，附图1、2和4分别给出了 不等腰三角形波形的弹性波纹管9，倾斜等腰三角形波形的弹性波纹管15， 和不等边U形波形的弹性波纹管16三种形式。这三种弹性波纹管的内部结构均可以是高分子材料2直接形成波纹管的 内层、橡胶l在外层整体覆层(如附图3所示)。这三种弹性波纹管的内部结构还可以是经丝4与纬丝3的编织定形后， 内外再先后注橡胶1成形(如附图5所示)，经丝4与纬丝3的材料可以是一 般强度钢丝帘线(抗拉强度为2500MPa)，高强度(HT)钢丝帘线(抗拉强 度为3250MPa)，超高强度(ST)钢丝帘线(抗拉强度为3650MPa)，极高强 度(UT)钢丝帘线(抗拉强度为3卯0 4000MPa)， PTFE高强度缝纫线， 高强度尼龙丝，高强度碳纤维丝、高强度聚丙烯丝，冷拉高强度不锈钢丝。除了不等腰三角形波形的弹性波纹管9，倾斜等腰三角形波形的弹性波 纹管15，和不等边U形波形的弹性波纹管16三种基本形式之外，还可以装 配不同的环箍，来加强弹性波纹管承载和限制弹性波纹管的波谷圆成椭圆形。 弹性波纹管的内腔未加压流体时，椭圆形的环箍在波谷圆部位正好贴合，限 制弹性波纹管的波谷圆成椭圆形，减小异形弹性波纹管在关节弯曲方向的尺 寸。如附图6所示，对于不等腰三角形波形的弹性波纹管9，从最大波谷圆 到最小波谷处，依次采用圆形的环箍，小的椭圆长、短径比，到大的椭圆长、 短径比的椭圆形的环箍，来加强弹性波纹管承载和限制弹性波纹管的波谷圆 成椭圆形。如附图6、 7所示，环箍5的形状可以是圆形、椭圆形，环箍5 的截面可以是圆形、椭圆形，V形、半环形、U形。如附图8所示，对于倾斜等腰三角形波形的弹性波纹管15，从最大波谷圆到最小波谷处，依次采用圆形的环箍，小的椭圆长、短径比，到大的椭圆 长、短径比的椭圆形的环箍，来加强弹性波纹管承载和限制弹性波纹管的波谷圆成椭圆形。如附图8、 9所示，环箍5的形状可以是圆形、椭圆形，环箍 5的截面可以是圆形、椭圆形，V形、半环形、U形。如附图10所示，对于不等边U形波形的弹性波纹管16，从最大波谷圆 到最小波谷处，依次采用圆形的环箍，小的椭圆长、短径比，到大的椭圆长、 短径比的椭圆形的环箍，来加强弹性波纹管承载和限制弹性波纹管的波谷圆 成椭圆形。如附图10、 ll所示，环箍5的形状可以是圆形、椭圆形，环箍5 的截面可以是圆形、V形、半环形、U形。本发明所指的流体驱动可以是气压、液压、液力、液体粘性传动及它们 的串、并联复合驱动。本发明与己有技术相比具有以下优点本发明的柔顺性的异形弹性波纹管的结构及其环箍的安装形式，形成了 膨胀型特点的人工肌肉；这提高了承载能力、尤其是中间部分的承载能力， 也增大了关节的弯曲角度；同时在保证柔顺性的前提下，具有更小的弹性波 纹管内腔体积，可减少腔内流体(尤其是气体)的体积；与圆柱形弹性波纹 管相比，异形的弹性波纹管的整体弯曲角度的增加需要较少内腔流体体积增 加量，便于流体控制。
图1为本发明人工肌肉的不等腰三角形波形的弹性波纹管9的结构图 图2为本发明人工肌肉的倾斜等腰三角形波形的弹性波纹管15的结构图 图3为本发明人工肌肉的不等腰三角形波形的弹性波纹管9的S处放大 图4为本发明人工肌肉的不等边U形波形的弹性波纹管16的结构图 图5为本发明人工肌肉的不等边U形波形的弹性波纹管16的A处放大 图6为本发明人工肌肉的不等腰三角形波形的弹性波纹管9与环箍的安 装示意7为本发明人工肌肉的不等腰三角形波形的弹性波纹管9与环箍的安装示意图的B-B剖视放大图8为本发明人工肌肉的倾斜等腰三角形波形的弹性波纹管15与环箍的 安装示意9为本发明人工肌肉的倾斜等腰三角形波形的弹性波纹管15与环箍的 安装示意图的C-C剖视放大图IO为本发明人工肌肉的不等边U形波形的弹性波纹管16与环箍的安 装示意11为本发明人工肌肉的不等边U形波形的弹性波纹管16与环箍的安 装示意图的D-D剖视放大图12为本发明人工肌肉具体实施方式
的示意图
具体实施例方式下面结合发明实施例说明其工作原理及工作过程如附图12所示的单自由度转动关节，螺钉将骨架7和板铰链11分别固 定在头座6和尾座12上，板铰链11的芯轴装有扭弹簧10;卡箍8将异形不 等腰三角形波形弹性波纹管9分别装夹在头座6和尾座12上；因此异形不等 腰三角形波形弹性波纹管9、头座6和尾座12构成人工肌肉的封闭空腔，流 体通过直角接头14进入封闭空腔，直角接头14安装在尾座12上，它们中间 有密封圈13起密封作用。当流体被压入异形弹性波纹管人工肌肉的封闭空腔时，由于流体的压强 作用，关节克服扭弹簧IO的扭矩，上部产生逆时针转动；关节转动的角度由 流体的压强控制；保持流体的压强则保持关节的角度；当流体的压强被释放， 靠扭弹簧10的作用，关节回复伸直。
权利要求
1. 一类柔顺性的异形弹性波纹管的人工肌肉，本发明膨胀型人工肌肉的特征是采用左右对称的双圆锥形的异形弹性波纹管，有不等腰三角形波形的弹性波纹管(9)，倾斜等腰三角形波形的弹性波纹管(15)，和不等边U形波形的弹性波纹管(16)三种形式；还可以在前述三种形式的基础上，从最大波谷圆到最小波谷处，依次采用圆形的环箍，小的椭圆长、短径比，到大的椭圆长、短径比的椭圆形的环箍，来加强弹性波纹管承载和限制弹性波纹管的波谷圆成椭圆形。
2. 根据权利要求1所述的弹性波纹管的人工肌肉，其特征是三种 形式的弹性波纹管的内部结构可以是高分子材料(2)直接形成波纹管的内 层、橡胶(1)在外层整体覆层。
3. 根据权利要求1所述的弹性波纹管的人工肌肉，其特征是三种 形式的弹性波纹管的内部结构可以是经丝(4)与纬丝(3)的编织定形后， 内外再先后注橡胶(1)成形；经丝(4)与纬丝(3)的材料可以是一般强度 钢丝帘线，高强度钢丝帘线，超高强度钢丝帘线，极高强度钢丝帘线，PTFE 高强度缝纫线，高强度尼龙丝，高强度碳纤维丝、高强度聚丙烯丝，冷拉高 强度不锈钢丝。
4. 根据权利要求1所述的弹性波纹管的人工肌肉，其特征是环箍 (5)的形状可以是圆形、椭圆形，环箍(5)的截面可以是圆形、椭圆形，V形、半环形、U形。
全文摘要
本发明涉及柔顺性的异形弹性波纹管的人工肌肉，属于机器人、机器和机床的应用技术领域。本发明的特征有采用左右对称的双圆锥形的异形弹性波纹管；有从圆形到椭圆形，从小的椭圆长、短径比，到大的椭圆长、短径比的不同的环箍，环箍安装在弹性波纹管的不同直径的波谷圆处；其中椭圆形的环箍是刚性的、保持不变形；环箍的截面形状有圆形、椭圆形、V形、半环形和U形五种。与圆柱形弹性波纹管相比，本发明的优点是提高了承载能力、尤其是中间部分的承载能力，也增大了关节的弯曲角度；异形的弹性波纹管具有较小的弹性波纹管内腔体积，其整体弯曲角度的增加需要较少内腔流体体积增加量，便于流体控制。
文档编号B25J17/00GK101224580SQ20071001960
公开日2008年7月23日 申请日期2007年1月18日 优先权日2007年1月18日
发明者兵 吕, 军 章, 须文波 申请人:江南大学